北京時間2023年10月3日17時45分頃、2023年のノーベル物理学賞は、フランス人科学者ピエール・アゴスティーニ氏、ハンガリー系オーストリア人科学者フェレンツ・クラウス氏、フランス・スウェーデン人科学者アンヌ・ルイリエ氏の「物質中の電子動力学研究のためのアト秒光パルス生成実験方法」が評価され授与された。
ピエール・アゴスティーニは、1968 年にフランスのエクス・マルセイユ大学で博士号を取得し、現在は米国のオハイオ州立大学の教授です。
フェレンツ・クラウシュは、1962 年にハンガリーのモルに生まれました。1991 年にオーストリアのウィーン工科大学で博士号を取得しました。彼は現在、ドイツのガルヒングにあるマックス・プランク量子光学研究所の所長であり、ドイツのミュンヘンにあるルートヴィヒ・マクシミリアン大学の教授を務めています。
アンヌ・ルイリエは、1958 年フランスのパリに生まれました。1986 年にフランスのパリのピエール・マリー・キュリー大学で博士号を取得し、現在はスウェーデンのルンド大学の教授を務めています。
光パルス中の電子
今年の優勝者は、非常に速い電子の動きのスナップショットを撮るのに十分な短さの光のフラッシュを実験的に作成しました。アンヌ・ルイリエは、ガス中の原子とレーザーの相互作用の新しい効果を発見しました。 Pierre Agostini と Ferenc Krausz は、この効果を使用して以前よりも短い光パルスを生成できることを実証しました。
小さなハチドリは 1 秒間に 80 回羽ばたくことができますが、私たちにはブンブンという音と漠然とした羽の動きしか認識できません。急速な動きは人間の感覚ではぼやけてしまい、非常に短い出来事は人間の感覚では見えません。これらの非常に短い瞬間を捉えたり描写したりするには特別な技術が必要です。高速度撮影とフラッシュを使用することで、一瞬の現象を物理的に捉えることができます。飛行中のハチドリの高解像度の写真を撮りたい場合は、ハチドリの 1 回の羽ばたきよりもはるかに短い露光時間が必要です。より速いイベントをキャプチャしたい場合は、より速く撮影する必要があります。
同じ原則が、高速運動プロセスの測定または記述に使用されるすべての方法に当てはまります。どのような測定も、ターゲット システムが大幅に変化する時間よりも高速でなければなりません。そうでないと、漠然とした結果しか得られません。今年のノーベル物理学賞受賞者は、原子や分子の内部プロセスの画像を捉えるのに十分な短さの光パルスを生成する方法を実験で実証した。
原子の自然な時間スケールは非常に短いです。分子では、原子は 1000 分の 1 秒 (フェムト秒) で移動および回転することができ、これらの動きはレーザーによって生成される非常に短いパルスを使用して研究できます。しかし、原子全体が移動するときの時間スケールは、軽くて柔軟な電子に比べて非常にゆっくりと移動する、大きくて重い原子核によって決まります。電子が原子や分子内で移動するとき、その移動速度はフェムト秒スケールでは明確に表現できないほど速くなります。電子の世界では、位置とエネルギーは 1 アト秒から数百アト秒の範囲の速度で変化します。アト秒は 10 ～ 18 秒です。
アト秒は非常に短いため、1秒間のアト秒数は、138億年前の宇宙誕生から経過した秒数と同じです。より身近な例として、部屋の一方の端から反対側の壁に光線が放射されると想像できます。これには 100 億アト秒かかります。
フェムト秒は、生成できるフラッシュの限界と長い間考えられてきました。非常に短い時間スケールで電子が移動するのを観察するには、既存の技術を単に改良するだけでは十分ではありませんでした。科学者はまったく新しいものが必要でした。そして今年の受賞者は、アト秒物理学のまったく新しい領域を切り開きました。
電子は、アト秒スケールで測定すると、原子や分子内で非常に速く移動します。 1秒のアト秒は宇宙年齢の1秒と同じくらい短いです。
高調波ではパルスが短くなる
光は波（電場と磁場の変動）で構成されており、真空中では他のものよりも速く伝わります。異なる波長の光は、異なる色の光として見えます。例えば、赤色光の波長は約700ナノメートルで、人間の髪の毛の幅の約100分の1で、1秒間に約430兆回振動します。最短の光パルスは、光波の 1 サイクルの長さと考えることができます。つまり、光波がピークまで上昇し、谷まで下降し、開始点に戻るサイクルです。この場合、一般的なレーザー システムで使用されるレーザー波長はフェムト秒の範囲を下回ることはできないため、1980 年代にはこれが最短の光パルスに対する厳しい制限とみなされていました。
波の数学によれば、適切な波長、周波数、振幅（波の山と谷の間の距離）を備えた十分な波を使用すれば、任意の波形を構築できます。アト秒パルスのコツは、より多くのより短い波を組み合わせてより短いパルスを生成することです。
電子は非常に高速で移動するため、電子の動きを原子スケールで観察したい場合は、十分に短い光パルスが必要です。これは、多くの異なる波長の短波を組み合わせることを意味します。
これまでに生成された中で最も短い波長の光を生成するには、単なるレーザー以上のものが必要です。重要なのは、レーザー光が気体を通過するときに発生する現象を理解する必要があることです。レーザーがガス中の原子と相互作用すると、元の波の各周期で複数の完全なサイクルを完了する一種の高調波が生成されます。倍音はサウンドに特定の特徴を与える倍音と比較できます。倍音を使用すると、ギターとピアノで演奏される同じ音の違いを聞くことができます。
1987 年、アンヌ・リュリエとフランスの研究所の同僚は、希ガスを通過する赤外線レーザービームを使用して高調波の生成を実証しました。赤外光はより多くの高調波を生成し、以前の実験で使用された短波長レーザーよりも強力です。この実験では、ほぼ同じ光強度を持つ多くの高調波が観察されました。
倍音には、基音の各サイクルに対して複数のサイクルがあります。倍音と同様に、倍音は光の波で機能します。
1990 年代、ルリエはルンド大学で発表された一連の論文でこの効果の研究を続けました。彼女の発見は、この現象を理論的に理解し、次の実験的ブレークスルーの基礎を築くのに役立ちます。
逃げた電子は高調波を生成する
レーザー光が気体に入り、その原子に影響を与えると、電磁振動が発生し、原子核の周りの電子の電場が歪み、電子が原子から逃げます。ただし、レーザーの電場は常に振動しており、方向が変わると、遊離電子が原子核に突入する可能性があります。電子が移動すると、レーザーの電場から大量の追加エネルギーを獲得します。原子核近くの基底状態に戻るには、電子は光パルスの形で過剰なエネルギーを放出する必要があります。電子からのこれらの光パルスは、実験で見られた高調波を生成します。
レーザーは気体中の原子と相互作用します
実験により、レーザーが高調波を生成するメカニズムが発見されました。どのように機能するのでしょうか?
1. 原子核と結合した電子は通常、原子から逃げることができません。原子電場によって形成されたポテンシャル井戸から自らを引き出すのに十分なエネルギーがありません。
2. 原子がレーザーパルスの影響を受けると、その電場が歪みます。電子が狭いポテンシャル障壁のみに閉じ込められている場合、量子力学により電子はトンネルを抜けて抜け出すことができます。
3. 自由電子は依然としてレーザー電場の影響を受け、追加のエネルギーを獲得します。電場が回転して方向が変わると、電子は引き戻されます。
4. 原子核に再び結合するには、電子は途中で得た余分なエネルギーを放出しなければなりません。このエネルギーは紫外光の形で放出され、その波長はレーザー場の波長に関係しており、電子の移動距離に応じて変化します。
光のエネルギーはその波長に関係します。実験で放出される高調波のエネルギーは紫外光に匹敵し、その波長は可視光よりも短い。エネルギーはレーザーの振動から得られるため、調和振動は元のレーザー パルスの波長に正確に比例します。光が多くの異なる原子と相互作用する結果、特定の波長の異なる光波のセットが生成されます。
これらの高調波が現れると、相互作用します。光波の山が重なると、生成される光は強くなりますが、ある光波の山が別の光波の谷と重なると、生成される光の強度は弱くなります。適切な状況下では、高調波が一致して、それぞれ数百アト秒の周期を持つ一連の UV 光パルスが発生します。物理学者は 1990 年代にその背後にある理論を理解していましたが、本当の進歩は 2001 年に科学者が実際にパルスを特定してテストしたときに起こりました。
最短の光パルスで電子の世界を探索します。レーザーがガスを通過すると、ガス内の原子が紫外光の高調波を生成します。適切な条件下では、これらの高調波は同期する可能性があります。それらの周期が一致すると、集中したアト秒パルスが形成されます。実験セットアップの例: レーザーは 2 つのビームに分割され、そのうちの 1 つは一連のアト秒パルスの生成に使用されます。このパルス シーケンスは元のレーザー パルスに追加され、その組み合わせを使用して非常に高速な実験を実行します。
フランスのピエール・アゴスティーニと彼の研究チームは、複数の車両が直列に並んだ列車のような一連の連続光パルスを作成し、研究することに成功しました。彼らは、この「パルス列」を元のレーザーパルスの遅延部分と並べて配置する特別なトリックを使用して、高調波がどのように互いに同期するかを確認しました。彼らはまた、「パルス列」のパルスの持続時間を測定し、各パルスの持続時間はわずか 250 アト秒であることを発見しました。
一方、オーストリアのフェレンツ・クラウス氏と彼の研究グループは、列車の車両の連結を外して別の線路に切り替えるなど、個々のパルスを抽出できる技術に取り組んでいた。彼らは650アト秒持続するパルスの分離に成功し、チームはこれを使用して電子が原子の限界から解放されるプロセスを追跡し、研究した。
これらの実験は、アト秒パルスが観察および測定できること、そして新しい実験にも使用できることを示しています。
アト秒の世界が手の届くところにある今、これらの短い光パルスを電子の動きの研究に使用できます。現在では数十アト秒のパルスを生成することが可能であり、その技術は常に進化しています。
電子の動きがわかりやすくなる
アト秒パルスは、電子が原子から引き離されるのにかかる時間を測定し、電子が原子核にどれだけ強く結合しているかを調べて、その時間がどれくらいかかるかを決定します。私たちは、原子や物質内の電子の分布を再構成して、電子が一方の側からもう一方の側へ、またはある位置から別の位置へと振動するようにすることができます。これまで、電子の位置は平均としてしか測定できませんでした。
アト秒パルスを使用すると、物質の内部プロセスをテストし、さまざまなイベントを識別できます。これらのパルスは、原子および分子物理学の詳細を調査するために使用されており、エレクトロニクス、医学、その他の分野で応用できる可能性があります。
たとえば、アト秒パルスを使用して分子を押すと、測定可能な信号が放出されます。分子からの信号は特殊な構造、つまりその「正体」を明らかにする指紋を持っており、医療診断などの分野で応用できる可能性があります。